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平衡的多重状态 | “强结构”系列讲座实录

平衡的多重状态 | “强结构”系列讲座实录
编辑:彭紫琦 | 2022.06.16 14:19

△ 讲座视频回顾

 

 

强结构——平衡的多重状态

主讲:Juan José Castellón / 莱斯大学建筑学院助理教授、xmade事务所合伙人

整理翻译:硕任意、文艺 / 哈尔滨工业大学(深圳)

校订:王帅中 / 苏黎世联邦理工大学

 

大家好,感谢邀请我来做这次演讲。我的演讲“平衡的多重状态”建立在“强结构”主题之上,将讲述我在结构设计和建造方面的方法,解决轻量化、生态化和适应性的问题。

 

讲座实录 ©有方

在材料科学中,韧性被定义为“材料在不破裂的情况下吸收能量和塑性变形的能力”或“材料在断裂前每单位体积可吸收的能量”。在受到多重压力、危机和冲突困扰的当代社会和政治背景下,坚韧和韧性这两个词已经成为一句口头禅。这种情况产生了一种抵抗文化,它依赖于社会和物质结构去承受多重的力量。这展现了一种建筑的回应,并与我们的社会、文化和自然环境形成了一种防御性的、有时是侵略性的关系;但也是一种紧急、稀缺和生存的架构

 

同时,我们还应该提倡我们的自然适应能力。在生物学中,这被描述为“一个有机体或物种变得更适合其环境的变化过程”。通过科学、技术和新的建筑方法,让适应环境的能力在建筑和结构设计领域变得有可能。

 

讲座实录 ©有方

因此,我们的设计必须在生态、适应、轻盈等概念的基础上,与我们的自然环境建立更平衡的关系。在这一点上,“轻盈”一词意味着动作中没有压力、力量或沉重,暗示着风格上的温柔和精致。

 

这种理念存在于我们的xmade事务所发展出的多种流程和方法中,也存在于我们在苏黎世联邦理工学院结构设计系,以及目前在德克萨斯州休斯顿莱斯建筑学院的研究项目中。因此,我们利用材料、结构和构造原则,从不同的角度和不同的尺度,来结合轻盈和平衡的理念。这些原则从设计过程的早期阶段就展开了,并为我们的项目提供一种内在的、和谐且简单的物质化。我们的工作努力实现这种平衡,利用建筑和其最先进及最传统的形式来作为一种催化剂,从而实现多重平衡的状态。这是通过对环境、结构、材料和空间的全方面考虑和整合来实现的。从实验模型到建筑和原型,从韧性文化到适应性和轻盈的文化。

 

(左)Caribbean Hut on display at the great Exhibition of 1851 in London by g. Semper (1863) Der Stil, vol. II. Copyright 1863 by Der Stil;(中)Thermal Baths Piraeus, Greece. Source: Algarin, M. “Arquitecturas excavadas”. 2006. Ed. Fundación Caja de Arquitectos;(右)Musgum mud huts, Cameroon   image: https://socks-studio.com/2015/06/26/musgum-mud-huts/

维特鲁威在他的《建筑十书》中,根据人类建造的第一批建筑,描述了建筑的起源:它是基于多重平衡状态,对我们的自然环境进行的平衡改造,包括室内与外部、建筑与生态、文化与文脉、重力与光、物质与能量的平衡。根据维特鲁威所述,一些社区用树枝和树叶建造他们的生活空间,另一些在山上开凿洞穴,最后还有用树枝和粘土建造洞穴;这种文化、环境、传统和我们的根系之间的基本联系,仍然应该定义当代建筑、结构和施工过程之间的关系。

 

出于这个目的,我将介绍我通过学术研究和在xmade事务所的实践中开发的不同项目。我将首先谈一谈参考自然形式建造房屋。作为建筑师和工程师,我们仍在“筑巢”,仍在复制用树枝和树叶建造的小屋的范式。

 

Hypar Pavilion. 2018. Ting Cao, Pierluigi D’Acunto, Juan José Castellón, Alessandro Tellini. ETH Zurich, Nanjing, China.

在我们的研究和实践中,我们已经建立了几个遵循这种方法的项目,例如我们与曹婷博士共同开发的这个项目。这是一个非常有趣的项目,是我在苏黎世联邦理工学院结构设计系担任研究人员期间构思的,它涉及到用多重双曲抛物面建造网壳形式的轻型铝结构。

 

Hypar Pavilion. 2018. Ting Cao, Pierluigi D’Acunto, Juan José Castellón, Alessandro Tellini. ETH Zurich, Nanjing, China.

该项目最具挑战性的部分之一,在于如何考虑结合结构和施工,使用简单的方法,来实现复杂的形式。项目光滑的多重双曲抛物面表面由40个独立模块组成,总体尺寸为10.44×5.82米,最大高度为4.43米。为了尽量减少临时结构在大学校园内的影响,并保证其易于组装和拆卸,我们选择了轻质铝管和拉锁作为主要材料。亭内的每个双曲抛物面模块在两个方向上都被离散为十条网线,而不是十个向上弯曲的抛物线和十个向下弯曲的抛物线。

 

下图展示的是双曲抛物面几何形状的图表,以及我们如何尝试将构建过程体系化,从而找到简单但有效的方法,来构建和组装这些多个部件。

 

Hypar Pavilion. 2018. Ting Cao, Pierluigi D’Acunto, Juan José Castellón, Alessandro Tellini. ETH Zurich, Nanjing, China.

这个双曲面亭子的建设使用了800多根铝管,为了加快铝管的生产速度,高达80%的铝管被切割成标准长度。这些图片展示了我们专门为此项目开发的一些工具、模板和技术。我们使用了非常简单的方法来制作和组装展亭的多个部分,方便现场的运输和施工。

 

Hypar Pavilion. 2018. Ting Cao, Pierluigi D’Acunto, Juan José Castellón, Alessandro Tellini. ETH Zurich, Nanjing, China.

该展亭的建造是集体研究的结果,涉及文化、物质和物理结构之间平衡关系的理念。40个双曲面是在现场组装的,最终的形式是从我们预先开发的所有不同的想法和过程中产生的,最终的形式是这个过程的结果,就像对树枝的参照一样。这些自然形态可以转化为美丽的建筑和高效的结构,与我们的自然和文化环境对话。事实上,我们按照树枝和树叶的概念设计了更多的巢穴和原型。

 

Hypar Pavilion. 2018. Ting Cao, Pierluigi D’Acunto, Juan José Castellón, Alessandro Tellini. ETH Zurich, Nanjing, China.

在我们开展研究工作的同时,我们在xmade事务所开发的一些项目,也在处理类似的问题。例如,与Josep Ferrando Architecture合作参加的,在瑞士日内瓦举办的“Bastion Saint-Antoine”竞赛,项目旨在容纳在日内瓦圣安东尼堡发现的考古遗址,并设计周围的公共空间。

 

Bastion Saint-Antoine Competition. 2016. xmade + Josep Ferrando Architecture. Geneva, Switzerland (images: Josep Ferrando Arquitectura)

下图通过构造由大型折叠板组成的轻质结构(在此特定情况下),表达了我们在自然环境和建筑环境之间对平衡的反复考量。这个屋顶结构似乎漂浮在场地上方,传达了一种与公共空间保持透明和连续性的理念,同时也尊重了周围现有的树木和建筑,与之形成对话。由此产生的结构,是参考周围环境提供的自然和建筑的抽象解释而构建的。

 

Bastion Saint-Antoine Competition. 2016. xmade + Josep Ferrando Architecture. Geneva, Switzerland (images: Josep Ferrando Arquitectura)

我们设计必须用结构覆盖现有遗址。因此,该干预提案建议在轻型、折叠和三角形屋顶的基础上,为能够控制和保持温度和湿度的挖掘,建造一个庇护所。

 

这个屋顶由7根钢柱支撑,排列在没有遗址的地方,包括一个透明的外墙。由于玻璃一般都在阴暗处,因此几乎没有反射,所以它看起来几乎消失了。接下来是整体结构的图像,是一个基于三角形几何形状,允许我们在给定的地点实现高结构能力和形式特异性。

 

Bastion Saint-Antoine Competition. 2016. xmade + Josep Ferrando Architecture. Geneva, Switzerland (images: Josep Ferrando Arquitectura)

此外,与公共空间的连续性和功能空间集中在同一层次的挖掘,加强了透明性的概念,以及受保护的遗址与周围环境之间的视觉关系。在这方面,改造的提案建议通过为音乐节或小型公共活动建立一个有遮盖的户外区域,使河岸线和现有的树木具有连续性。平面图和剖面图显示了折叠结构是如何被构思成公共空间和树木的延续,同时它又成为遗址的覆盖区域。

 

在材料方面,屋顶通过预制的三角形面板建造,包括木框架和岩棉绝缘材料,形成了可以在现场轻松组装的多个四面体。这些体量在立面上表现得几乎就像一条由胶合层压木周边的梁产生的线,它在场地的后方失去了相对高度,并投下了一处阴影,强调了现有围墙的价值,并表达屋顶的轻盈外观。

 

该结构不仅能够遮阳和保护遗址,还有助于收集雨水。四面体的顶部采用铜板进行外部装饰,唤起了历史悠久的市中心的传统建筑材料和技术,并在支柱内收集雨水。

 

Bastion Saint-Antoine Competition. 2016. xmade + Josep Ferrando Architecture. Geneva, Switzerland (images: Josep Ferrando Arquitectura)

下面,我将把重点转移到一组不同的项目上。维特鲁威提到了树枝和树叶、开凿的洞穴以及用树枝和粘土建造的建筑;然而还有一些其他的自然参照物,涉及到对纤维的使用,如蜘蛛网。在这方面,我们可以找到一些有趣的由纤维和拉锁建成的当代的建筑案例。

 

xmade事务所在2018年与Jose Maria Sánchez García工作室合作,参加了一个有趣的竞赛。该项目位于苏黎世蒂芬布朗宁码头,目的是在苏黎世湖和铁芬布朗宁老港口旁边,将一处遗址巩固为一个独特的公共空间。因此,它将成为一个独特的聚会点,公共和私人活动将在这里展开。

 

为了回应这些设计目标,我们的提案唤起了现有的船只桅杆和缆索的人工景观,并参考了张拉整体系统的轻盈和优雅。通过解放码头的整个表面并优化公共空间,该结构产生了必要的遮阳和保护,以便在一年中的不同时间进行公共活动。在下面的图片中,我们可以看到湖面上的船只和桅杆的图像,它激发了我们提案的灵感,在一个可以享受自然和文化的地方,拥抱轻盈、适应和生态的问题。

 

Marina Tiefenbrunnen Competition. 2018. xmade + Jose Maria Sanchez  Arquitectos. Zurich. Switzerland (images: JMSG Studio).

项目包括一个餐厅和一个帆船俱乐部,我这次主要介绍平台上轻质天棚的提案。漂浮平台长约145米,宽约10米,漂浮在湖面的浮桥上。支撑结构由两排非常细长的塔架组成,塔架顶部悬挂着轻钢屋面板。这个轻质的天篷容纳了可以俯瞰湖景的餐厅,它沿着平台延伸,作为公共空间的有盖延续。我们可以注意到它与公共空间的连续性,以及用拉锁和桅杆建造的张拉结构如何与湖上漂浮船只的逻辑和形状对话。

 

在材料方面,为了减少作用荷载,整个结构采用轻钢结构。我们与Joseph Schwartz(本次竞赛的结构工程师)讨论了将这种结构物质化的最佳方式,使其既优雅又高效,同时在那个特定而美丽的环境中实现与船和桅杆形式语言的有趣对话。作为这些对话的结果,金属板被物质化为一个水平平面,悬挂在钢缆上,在透视中几乎消失,一系列的柱子和钢缆与周围船只的桅杆和船帆进行对话。

 

Marina Tiefenbrunnen Competition. 2018. xmade + Jose Maria Sanchez  Arquitectos. Zurich. Switzerland (images: JMSG Studio).

最后,我将以大约3年前我到达休斯顿以来一直在开发的一个研究项目来作为结束。在这段时间里,我一直在研究“食品,能源和水屋顶基础设施”的问题,我将在此分享研究的现状。

 

在住宅建筑中,屋顶通常专用于放置技术系统和机制,使建筑物从功能角度变得健全和可操作。太阳能电池板、天线、水箱、电气室、供暖和制冷装置,以及风力涡轮机;这些都会破坏屋顶空间,给建筑带来低质的人造景观。例如,在这张显示纽约市典型屋顶的图中,水箱具有一些有趣的美学品质。然而,在大多数情况下,这些基础设施只能满足实用和功能要求。考虑到城市地区的指数级增长和城市中心公共空间的日益缺乏,屋顶成为一个需要在整体和协作研究方法下从工程和建筑的角度重新评估和制定的重要空间。

 

Rooftop water tanks in SoHo, New York (image by Frank Schulenburg).

建筑史上有一些有影响力的、与屋顶区域相关的案例,它们定义和开辟了新的愿景和概念。其中最重要的例子之一是瑞士建筑师勒·柯布西耶于1952年在法国马赛设计和建造的Unité d'Habitation。柯布西耶为受法国轰炸影响的马赛人民,设计了这个高层多户住宅项目,这也激发了第二次世界大战后对住房的前所未有的需求。该项目最引人注目的概念之一,是屋顶被设想为休息的花园,包括跑道,俱乐部,幼儿园,健身房和游泳池。

 

Unité d’Habitation, Marseille. 1945-52. View of the model of the roof terrace. (image: Foundation Le Courbusier, Paris).
Unité d’Habitation, Marseille. 1945-52. View of the model of the roof terrace. (image source: www.themodernhouse.com/ )

我们的研究计划具有可复制的潜力,能实施到多个屋顶上。我们的主要思想依赖于如何激活这些空间,这些空间大部分时间都被遗弃,没有融入建筑和自然环境。

 

下图展示的是莱斯大学校园一处住宿学院的屋顶,这是一个美丽的校园,但有时屋顶并不那么漂亮。以这个事实为契机,我们利用莱斯大学作为这项研究的试验台。该提案的目标是通过采用轻巧、坚固、耐用的现代材料来实施可持续设计策略,以改造住宅建筑上现有的屋顶区域,例如在这种特殊情况下使用轻质膜和中空陶瓷柱。在这方面,主要设计策略之一是雨水收集,以帮助缓解洪涝,并将收集的水重新用于灌溉。

 

F.E.W. Rooftop Infrastructures. 2021. Juan José Castellón. Rice University. Team: Beixi Zhu, Sebastián López Cardozo, Yao Wang.

所提出的模块化系统由两个主要部分组成:系列漏斗状主动弯曲的膜结构,以及后张拉的、中空的陶瓷柱。它们都在整个系统中都扮演着不同的角色。主动弯曲的膜结构的膨胀表面可以捕获雨水。作为漏斗,这是一个结构通道,收集并将水带到后张中空陶瓷柱,并最终到达地面系统。

 

使用主动弯曲结构可以实现明显轻巧但结构合理的解决方案,而且只需要用到最少的材料。结构的整体刚度是通过控制弹性梁状结构内的弯曲应力而产生的,在这种情况下,使用碳纤维棒可以实现弯曲应力。然后,雨水从膜结构中流过立柱,然后被转移到其他的管道,并将其带到地板系统的不同模块。

 

F.E.W. Rooftop Infrastructures. 2021. Juan José Castellón. Rice University. Team: Beixi Zhu, Sebastián López Cardozo, Yao Wang.

因此,这个项目实际上几乎整合了在我以前的项目、我们之前与ETH同事的合作以及我在xmade事务所的实践中的许多问题。这种具有空心截面的立体结构的想法,与树枝和叶子的想法、循环性的想法、以及生态系统的整合交织在一起。

 

F.E.W. Rooftop Infrastructures. 2021. Juan José Castellón. Rice University. Team: Beixi Zhu, Sebastián López Cardozo, Yao Wang.

这是屋顶的鸟瞰图,这些集水器也唤起了莱斯大学马特尔学院屋顶上自然形式和后张力的整合。该项目的第一部分是在夏季研究中与我的教学研究助理和一些外部工作者一起合作开发的,他们为我们提供了一些技术性建议。

 

F.E.W. Rooftop Infrastructures. 2021. Juan José Castellón. Rice University. Team: Beixi Zhu, Sebastián López Cardozo, Yao Wang.

作为这一集体努力的结果,我们的研究被选中在2021年首尔建筑与城市规划双年展上建造和展出。更具体地说,作为这个全球活动的一部分,我们参加了一个小型竞赛,建造一个4×4×4米的原型,以便在首尔建造和展示。

 

我们根据要求的项目和尺寸调整了我们在夏季开发的提案。因此,在图纸中可以看到它包含了四个模块,包括中空陶瓷柱和四个作为集水器的膜。

 

F.E.W. Rooftop Infrastructures. 2021. Juan José Castellón. Rice University. Team: Beixi Zhu, Sebastián López Cardozo, Yao Wang.
F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

在下图中,我们可以看到提案原型的剖面和平面,该原型结合了我们的结构和材料系统,并集成了集水和城市农业概念。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

虽然我们的第一个提案包括了一个织物立面,但由于可用的预算有限,我们最终将其移除。我们最后决定使用拉锁系统来激活主动弯曲的杆件,并布置了防水膜以进行集水。此外,4个柱子则是用模块化的陶瓷建造的。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

柱子的设计和制造是实体化过程中最有趣的部分之一。如前所述,柱子充当由一组定制陶瓷件组成的集水管。这些部件的横截面旨在便于部件之间的互锁和防水密封,以及包含后张拉索,以保证最终组件的整体稳定性。

 

由于这种后张拉策略,可以使用相对较小和轻巧的中空陶瓷件(高50厘米)组装每根柱子。这些部件可以很容易地生产、运输,并在现场相互连接,以达到所需的柱高。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

为了建造试样,我们与位于加泰罗尼亚的Ceramica Cumella公司合作设计和制造陶瓷件。这种跨学科的合作,使我们能在很短的时间内生产出非常漂亮和实用的作品。下方左图是用于制造部件的挤出机。通过它,这些部件使用定制的金属模板挤出成型。右图显示了陶瓷部分的生产过程,该部分集成了不同的设计层面,例如集水区、用于结构加固和后张拉锁的孔,以及旨在减少温度的影响并强调该项目的功能和美学品质的茎状剖面。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

在下图中,我们可以看到在将它们移动到窑中进行烧制之前的不同部分。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

除了挤出工艺外,我们还必须实施其他技巧和技术,以便能够连接和互锁组成陶瓷柱的不同部件。在这方面,我们利用了机器人制造技术所提供的潜力。通过使用包括金属丝在内的机械臂实施减法,我们设法从陶瓷片的两端去除材料,以产生联锁系统,精确地组装各个模块。因此,机器人正可以生产正负向的连接,以使这些部件互锁。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis, Silvia Fernandez-Diaz

下图显示了最终作品在运往首尔前的状态。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Ceramic Pieces (image: Frau Recerques Visuals).

在设计和制造陶瓷柱的同时,我们还开发了主动弯曲膜的临时解决方案,这是我们目前正在休斯顿与莱斯大学土木与环境工程系合作开发的一项正在进行的研究。具体来说,我正在与李麒麟教授和她的团队合作,结合建筑和工程方面进行膜的整体设计。例如,我们正在尝试为膜应用涂层溶液,以便在收集雨水时保持清洁。然而,我们没有足够的时间为首尔双年展开发这个解决方案。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. Team: Beixi Zhu, Carolyn Francis.

尽管如此,我们仍然不得不将项目的这一部分实体化,并准备包括制造模式在内的图纸,同时试图解决诸如如何将杆件插入膜中,以及如何用钢缆将其连接到地面等问题。

 

此外,我们必须将织物分成多个部分,让这些部分可以很好地缝制和连接,以构建完整的模块化膜。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. (images: SBAU 2021).

下图展示了装配的过程。其中弯曲的拉杆和定制的膜符合最终的漏斗状结构。陶瓷柱被组装并支撑在抬升的木地板上,该木地板融合了我们为该提案设想的城市农业概念。出于展览的特定目的,该组织决定使用人造植物而不是天然植物,以避免在活动期间安装和维护的潜在问题。

 

F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. (images: SBAU 2021).

最后我想说的是,正如我们在今天提出的所有项目中所希望的那样,我们必须与我们的自然环境建立更平衡的关系,并利用创造性的研究和先进技术,来实施基于生态、适应性和轻质等概念的综合设计过程。因此,我们必须回到我们学科的根源,并通过多重平衡状态的设计和物质化将其投射到未来。谢谢。

 

US Mexico Border. (image source: Frederic J. Brown / Agence France-Presse – Getty Images) / Syrian Children filling drinking water in bottles at Al-Zaatari camp for Syrian refugees in Jordan. (image: Mustafa Bader) / F.E.W. Rooftop Prototype. 2021. Juan José Castellón. Seoul Biennale of Architecture and Urbanism. (image: SBAU 2021)

 

 

关于“强结构”系列国际讲座

 

“强结构”系列国际学术讲座由哈工大(深圳)、ETH、有方联合主办,邀请十余位中外结构专家,深度推演结构设计逻辑,带来全球最前沿的行业视野。

 

在当下的建筑设计中,我们往往将结构等同于承重系统,然而结构的意义远不止于此。“强结构”系列讲座,以五个主题章节、共十场讲座,反思结构在当下建筑设计中所扮演的角色,展示结构承重作用之外的多重建筑学意义。

 

 


 

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Juan José Castellón
强结构
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